本書共分為5章。第一章是鈣鈦礦光伏器件概述，主要介紹鈣鈦礦材料在光伏領(lǐng)域的起源、分類與發(fā)展，以及碳電極鈣鈦礦光伏器件的優(yōu)勢。第二章是有機-無機雜化碳電極鈣鈦礦光伏電池，主要介紹了光陽極離子摻雜、界面修飾等手段來提升有機-無機雜化碳電極鈣鈦礦光伏電池的光電轉(zhuǎn)化效率。第三章是全無機碳電極鈣鈦礦光伏電池，主要介紹了全無機鈣鈦礦CsPbBr3材料的可控制備方法及其在光伏領(lǐng)域的應(yīng)用。第四章是碳電極鈣鈦礦光伏器件封裝與集成，主要包括PDMS封裝、光解水制氫集成、超級電容器集成與熱電模塊集成。第五章是鈣鈦礦材料在其它光電子器件中的探索與應(yīng)用，主要包括光電探測、憶阻器與感存算技術(shù)等。

本書內(nèi)容是作者所在課題組在*創(chuàng)新團隊微納制造與納米測量技術(shù)、國家重點研發(fā)計劃高效穩(wěn)定大面積鈣鈦礦太陽電池關(guān)鍵技術(shù)及成套技術(shù)研發(fā)、國家自然科學(xué)基金基于鈣鈦礦的高效微能源器件可控制備研究仿生微納制造與應(yīng)用研究染料敏化太陽能電池光陽極結(jié)構(gòu)的仿生設(shè)計與可控制備面向圖像傳感的超高速自驅(qū)動柔性鈣鈦礦光電探測器可控制備研究等項目支持下的研究成果結(jié)晶。

自20世紀(jì)以來，以半導(dǎo)體為基礎(chǔ)的光電子器件（如太陽能電池、光電探測器、發(fā)光二極管及半導(dǎo)體激光器等）的開發(fā)與應(yīng)用引發(fā)了新一輪產(chǎn)業(yè)革命，也極大地改變了人們的生產(chǎn)和生活方式。隨著社會經(jīng)濟的迅速發(fā)展和人們生活水平的不斷提高，人們對半導(dǎo)體光電子器件的需求日益多樣化。目前，商用光電子器件廣泛使用的晶硅（Si）、碲化鎘（CdTe）、砷化鎵（GaAs）等傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料通常由高溫電爐反應(yīng)、分子束外延或有機金屬化學(xué)氣相沉積等復(fù)雜工藝制成，這些工藝對半導(dǎo)體薄膜純度和生產(chǎn)設(shè)備要求極高，能耗和生產(chǎn)成本也居高不下。此外，高溫工藝還限制了傳統(tǒng)光電子器件的柔性化制備和在柔性可穿戴電子產(chǎn)品中的應(yīng)用。因此，開發(fā)低成本、易低溫制備和高性能新型半導(dǎo)體材料對光電子器件的發(fā)展具有重要意義。2009年，有機�矡o機金屬雜化鈣鈦礦用作光吸收材料被應(yīng)用到光伏器件中，展現(xiàn)出優(yōu)異的光學(xué)與電學(xué)性能，拉開了鈣鈦礦光伏器件研究的序幕。一般來說，把和CaTiO3構(gòu)型相同的晶體叫作鈣鈦礦，其結(jié)構(gòu)通式為ABX3。對于有機�矡o機雜化鈣鈦礦來說，A位一般是有機陽離子（CH3NH 3或NH2CHNH 2），B位是金屬離子（Pb2 、Sn2 、Eu2 等），X位則通常是鹵素陰離子（I-、Br-等）。得益于鈣鈦礦半導(dǎo)體出色的光電特性（包括光吸收系數(shù)和缺陷容忍度高、激子結(jié)合能與表面復(fù)合率低、載流子傳輸距離和載流子壽命長、雙極性載流子傳輸與禁帶可調(diào)等）及材料改性、缺陷鈍化、界面工程及溶劑工程等技術(shù)的不斷進步，短短數(shù)年，雜化鈣鈦礦太陽能電池的認(rèn)證光電轉(zhuǎn)化效率從*初的3.8%提高至25.7%，超過了商業(yè)化多晶硅太陽能電池以及銅銦鎵硒（CIGS）、碲化鎘薄膜太陽能電池效率，正逐接近單晶硅太陽能電池效率并有望達到硅基的Shockley�睶ueisser理論極限，而且其原材料用量僅為晶硅的1/1000，成本不到晶硅組件的50%，是一種顛覆性很強的新型光伏材料，給人類應(yīng)對能源危機提供了新機遇。隨著2030年前實現(xiàn)碳達峰和2060年前實現(xiàn)碳中和這雙重目標(biāo)的構(gòu)建，世界能源多元化、清潔化、低碳化趨勢進一步加強，能源和資源版圖正在發(fā)生深刻變化，越來越多的國家都在朝著清潔、低碳能源的方向發(fā)展。《2022中國戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展報告》將鈣鈦礦太陽能電池技術(shù)列為能源新技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)與重點任務(wù)。《中國工程科技2035發(fā)展戰(zhàn)略》指出，鈣鈦礦太陽能電池的基礎(chǔ)研究與產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)是可再生能源工程科技發(fā)展的重要任務(wù)。鈣鈦礦半導(dǎo)體材料在光伏器件領(lǐng)域取得的巨大成功，再加上鈣鈦礦薄膜易于低溫制備（如旋涂、刮涂、滴涂與噴墨打印等）的特點，極大地鼓舞了研究者們將這種夢幻材料應(yīng)用到其他各類型光電子器件的研發(fā)中，并已經(jīng)取得了一系列成果。十幾年來，鈣鈦礦光電子器件方面的研究不斷取得進展，100余篇高水平論文發(fā)表于國際一流學(xué)術(shù)刊物Science和Nature，并被Science期刊評為2013年度十大科學(xué)進展之一，這也充分體現(xiàn)了鈣鈦礦光電子器件的研究熱度和該領(lǐng)域的前沿性。引入碳電極后，鈣鈦礦光伏器件制造成本進一步大幅降低，器件的穩(wěn)定性大大提高，使碳電極鈣鈦礦器件成為具有廣闊發(fā)展前景的光伏技術(shù)之一。然而，器件在制造過程中涉及多種光電材料的宏微納跨尺度結(jié)構(gòu)的精確形成與功能界面優(yōu)化，材料相變、晶化等行為復(fù)雜，功能結(jié)構(gòu)本征缺陷密度高，界面能級失配嚴(yán)重，光生載流子輸運受阻，且環(huán)境因素（濕、熱、光等）仍會對鈣鈦礦材料造成不可逆的損傷等問題，這些問題嚴(yán)重制約了器件效率和穩(wěn)定性的提升，急需突破。本書內(nèi)容是作者所在課題組在*創(chuàng)新團隊微納制造與納米測量技術(shù)、國家重點研發(fā)計劃高效穩(wěn)定大面積鈣鈦礦太陽電池關(guān)鍵技術(shù)及成套技術(shù)研發(fā)、國家自然科學(xué)基金基于鈣鈦礦的高效微能源器件可控制備研究仿生微納制造與應(yīng)用研究染料敏化太陽能電池光陽極結(jié)構(gòu)的仿生設(shè)計與可控制備面向圖像傳感的超高速自驅(qū)動柔性鈣鈦礦光電探測器可控制備研究等項目支持下的研究成果，包含了課題組許多已畢業(yè)的博士、碩士合作者所做的工作，大部分來自與他們合作發(fā)表的論文。他們是筆者和廖廣蘭教授的研究生，包括劉智勇博士、劉星月博士、孫博博士、葉海波博士、韓京輝博士、涂玉雪碩士等。在此，向他們表示衷心的感謝和崇高的敬意！由于鈣鈦礦光電子器件一直是光伏與光電子領(lǐng)域的研究重點和熱點，涉及的學(xué)科多、發(fā)展快，加上作者水平有限，在取材和論述方面難免存在不足與疏漏之處，懇請廣大讀者批評指正。史鐵林2022年11月7日于喻家山

史鐵林（Shi Tielin，Professor），1964年1月出生，中共黨員，博士，教授，博士生導(dǎo)師，*長江特聘教授，曾任機械學(xué)院黨委書記。1985年本科、1988年碩士畢業(yè)于西安交通大學(xué)，1991年博士畢業(yè)于華中理工大學(xué)，1993年博士后出站，進入華中科技大學(xué)（原華中理工大學(xué)）工作�，F(xiàn)任中國振動工程學(xué)會常務(wù)理事，中國振動工程學(xué)會動態(tài)信號分析專業(yè)委員會主任委員，中國振動工程學(xué)會故障診斷專業(yè)委員會副主任委員，中國微米納米技術(shù)學(xué)會理事，《Frontiers of Mechanical Engineering》副主編、《機械工程學(xué)報》、《振動工程學(xué)報》、《中國機械工程》、《中國工程機械學(xué)報》、《振動與沖擊》、《振動測試與診斷》等雜志編委。先后獲國家*科技進步二等獎（應(yīng)用類），國家*科技進步一等獎（理論類），機械工業(yè)部科技進步一等獎，國家科技進步三等獎，中國青年科技獎，全國優(yōu)秀博士后、湖北省五四青年獎?wù)�、中國機械工程學(xué)會杰出青年科技獎、首批新世紀(jì)百千萬人才工程*人選等榮譽稱號等。

第1章概述/1



1.1引言/1



1.1.1能源危機/1



1.1.2新能源需求/2



1.1.3太陽能的利用/4



1.2光伏電池的分類/5



1.2.1硅基光伏電池/5



1.2.2化合物半導(dǎo)體薄膜光伏電池/7



1.2.3有機聚合物薄膜光伏電池/9



1.2.4染料敏化光伏電池/9



1.2.5有機�矡o機雜化鈣鈦礦光伏電池/10



1.3鈣鈦礦光伏電池介紹/11



1.3.1鈣鈦礦材料的特性及電池的工作原理/11



1.3.2鈣鈦礦光伏電池的發(fā)展歷程/13



1.3.3鈣鈦礦光伏電池的組成結(jié)構(gòu)/15



1.3.4鈣鈦礦光伏電池的評價體系/16



1.4碳電極鈣鈦礦光伏電池的介紹/18



1.4.1碳電極鈣鈦礦光伏電池的起源/18



1.4.2碳電極鈣鈦礦光伏電池的分類與發(fā)展/18



參考文獻/20



第2章有機�矡o機雜化碳電極鈣鈦礦光伏電池/27



2.1無空穴傳輸層有機�矡o機雜化碳電極鈣鈦礦光伏電池/27



2.1.1器件制備/27



2.1.2電池結(jié)構(gòu)形貌表征/29



2.1.3器件光伏特性分析/32



2.1.4小結(jié)/37



2.2基于鎳摻雜氧化鈦電子傳輸層的碳電極鈣鈦礦光伏電池/38



2.2.1器件制備/39



2.2.2薄膜表征/40



2.2.3器件光伏特性分析/44



2.2.4器件穩(wěn)定性測試/49



2.2.5小結(jié)/49



2.3基于鋅摻雜氧化錫電子傳輸層的碳電極鈣鈦礦光伏電池/52



2.3.1器件制備/52



2.3.2薄膜表征/53



2.3.3器件光伏特性分析/56



2.3.4性能提升機理研究/56



2.3.5器件模塊化制備與可靠性評估/61



2.3.6小結(jié)/63



2.4基于硫化鎘電子傳輸層的全低溫碳電極鈣鈦礦光伏電池/63



2.4.1器件制備/64



2.4.2形貌表征與光電特性分析/64



2.4.3光電特性提升研究/68



2.4.4柔性器件研發(fā)/71



2.4.5小結(jié)/71



參考文獻/73



第3章全無機碳電極鈣鈦礦光伏電池/83



3.1基于酞菁銅空穴傳輸層的全無機鈣鈦礦光伏電池/83



3.1.1器件制備/83



3.1.2結(jié)構(gòu)形貌表征/84



3.1.3器件光伏特性分析/88



3.1.4小結(jié)/92



3.2基于連續(xù)蒸發(fā)工藝的全無機鈣鈦礦光伏電池/93



3.2.1器件制備/95



3.2.2薄膜表征/96



3.2.3器件光伏特性分析/103



3.2.4小結(jié)/107



3.3基于多步旋涂法的全無機鈣鈦礦光伏電池/108



3.3.1器件制備/108



3.3.2薄膜形貌表征/110



3.3.3器件光伏特性分析/112



3.3.4復(fù)合電子傳輸層形貌表征/114



3.3.5復(fù)合電子傳輸層器件光伏特性分析/116



3.3.6小結(jié)/120



3.4基于反溶劑法的全無機鈣鈦礦光伏電池/122



3.4.1器件制備/122



3.4.2薄膜表征/123



3.4.3器件光伏特性分析/130



3.4.4小結(jié)/135



3.5基于堿金屬離子摻雜的雙鹵素全無機鈣鈦礦光伏電池/136



3.5.1器件制備/137



3.5.2薄膜形貌表征/137



3.5.3器件光伏特性分析/141



3.5.4小結(jié)/148



參考文獻/148



第4章碳電極鈣鈦礦光伏器件封裝與集成/159



4.1碳電極鈣鈦礦光伏電池PDMS封裝/159



4.1.1基于PDMS的電池封裝工藝研究/159



4.1.2封裝電池性能測試與分析/160



4.1.2小結(jié)/170



4.2碳電極鈣鈦礦光伏電池與光解水制氫集成/171



4.2.1集成器件的制備/172



4.2.2集成器件的性能測試/174



4.1.2小結(jié)/177



4.3碳電極鈣鈦礦光伏電池與超級電容器集成/177



4.3.1器件制備/178



4.3.2鈣鈦礦光伏電池的表征及性能特點/179



4.3.3超級電容器的表征及性能特點/179



4.3.4集成能量包的表征及性能特點/184



4.3.5小結(jié)/187



4.4碳電極鈣鈦礦光伏電池與熱電模塊集成/188



4.4.1環(huán)境溫度對鈣鈦礦電池性能的影響/189



4.4.2集成器件制備/191



4.4.3集成器件性能表征/193



4.4.4小結(jié)/197



參考文獻/198



第5章鈣鈦礦材料在其他光電子器件中的應(yīng)用/206



5.1柔性鈣鈦礦/硫化鉬復(fù)合薄膜光電探測器/206



5.1.1器件制備/206



5.1.2器件性能表征/207



5.1.3小結(jié)/214



5.2基于銅離子摻雜的無空穴傳輸層自驅(qū)動鈣鈦礦光電探測器/216



5.2.1器件制備/217



5.2.2形貌表征/217



5.2.3性能測試/219



5.2.4光通信應(yīng)用/225



5.2.5小結(jié)/227



5.3CsPbBr3光電探測器陣列制備與性能調(diào)控/229



5.3.1器件制備/230



5.3.2CuPc與CsPbBr3薄膜表征/231



5.3.3CsPbBr3光電探測器性能分析/231



5.3.4MoO3界面層對器件性能的影響研究/236



5.3.5MoO3層對界面電荷傳輸與復(fù)合的影響研究/241



5.3.6光電探測器陣列在成像領(lǐng)域的應(yīng)用探索/243



5.3.7小結(jié)/245



5.4無機非鉛AgBiI4鈣鈦礦柔性憶阻器/247



5.4.1器件制備/247



5.4.2結(jié)構(gòu)形貌表征/248



5.4.3阻變特性分析/252



5.4.4阻變機理分析/254



5.4.5AgBiI4憶阻神經(jīng)突觸特性模擬/257



5.4.6觸覺感存算技術(shù)研究/267



5.4.7小結(jié)/274



5.5無機非鉛Cs2AgBiBr6鈣鈦礦光電憶阻器及視覺感存算技術(shù)研究/275



5.5.1器件制備/276



5.5.2結(jié)構(gòu)形貌表征及阻變特性分析/278



5.5.3鈣鈦礦光電憶阻器阻變機理研究/284



5.5.4鈣鈦礦光電憶阻器1D1R陣列研究/289



5.5.5鈣鈦礦光電憶阻器視覺感存算一體化研究/293



5.5.6全光控自供能功能研究/297



5.5.7小結(jié)/303



參考文獻/303



附錄/318



附錄A試驗用主要化學(xué)試劑與耗材列表/318



附錄B試驗用主要儀器設(shè)備列表/322



附錄C史鐵林、廖廣蘭教授研究組于20162023年在鈣鈦礦光電子領(lǐng)域發(fā)表的期刊論文/324